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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Zwischenzellkühleinheit, wobei ein sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckender Kühlkörper bereitgestellt wird, der mindestens einen integrierten, von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal umfasst, und der in der Längserstreckungsrichtung durch ein erstes offenes Körperende begrenzt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Zwischenzellkühleinheit und eine Batterie für ein Kraftfahrzeug.
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In Hochvolt-Batterien von Elektrofahrzeugen entsteht beispielsweise beim Schnellladen und beim Leistungsabruf Wärme, die zur Steigerung der Lebensdauer möglichst effektiv abgeführt werden sollte. Zu diesem Zweck kommen in einer Batterie Kühleinrichtungen zum Einsatz. Oft wird dabei die Wärme nur an einer Seite einer Batteriezelle abgeführt, und zwar an der Unterseite der Batteriezellen durch einen Kühlboden, auf dem die Batteriezellen, zum Beispiel in Form von Zellstapeln beziehungsweise Batteriemodulen, angeordnet sind. Dabei sind vor allem prismatische Batteriezellen typischerweise mit einer Zellseite einem solchen Kühlboden zugewandt, die nicht die flächenmäßig größte Zellseite einer solchen Batteriezelle darstellt. Durch eine Kühleinrichtung zwischen den Batteriezellen wäre es dagegen möglich, die Zellen über ihre flächenmäßig größten Seiten und damit besonders effizient zu kühlen. Aufgrund der vielzähligen in einer Batterie typischerweise verbauten Batteriezellen gestaltet sich eine solche Zwischenzellkühlung in der Regel sehr aufwendig, da entsprechend viele Zwischenzellkühleinheiten vorzusehen sind, und diese zudem mit entsprechenden Kühlmittelanschlüssen verbunden werden müssen. Wünschenswert wäre es daher, eine solche Zwischenzellkühleinheit möglichst einfach und effizient gestalten und fertigen zu können. Ein weiterer Aspekt, der eine effiziente Bereitstellung einer solchen Zwischenzellkühleinheit erschwert, ist typischerweise die Anbindung einer Anschlusseinrichtung an den die Kühlkanäle umfassenden Kühlkörper. Dabei wird oftmals ein Anschlussstück vorgesehen, welches in entsprechender Weise an einen solchen Kühlkörper gefügt werden muss. Gerade im Zusammenhang mit Hochvolt-Batterien oder Batterien im Allgemeinen wird aus Gründen der technischen Sicherheit ein solches Anschlussstück oftmals mehrfach abgedichtet, damit es zu keiner Undichtigkeit und in Folge dessen zu einer Havarie kommen kann. Dies gestaltet sich jedoch wiederum technisch sehr aufwendig und kostenintensiv, was gerade bei vielzähligen Zwischenzellkühleinheiten einen großen Gesamtaufwand und hohe Kosten bedeutet.
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Die
DE 10 2013 209 980 A1 beschreibt einen Wärmeübertrager, der eine Kühlplatte mit Fluidkanälen umfasst, wobei die Kühlplatte an gegenüberliegenden Enden Öffnungen als Enden der Fluidkanäle aufweist, und wobei an den gegenüberliegenden Enden der Kühlplatte jeweils ein Sammler vorgesehen ist, mit dem die Kühlkanäle fluidverbunden sind. Die Kühlplatte kann dabei aus einem Profil bestehen, insbesondere aus metallischem Material, wobei der Sammler aus einem Kunststoff sein kann. Der Sammler kann mehrere Stutzen umfassen, die in die Öffnungen der Fluidkanäle der Kühlplatte eingesteckt werden.
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Die
DE 10 2016 125 859 A1 beschreibt einen Wärmetauscher für eine elektrische Komponente, wobei der Wärmetauscher zumindest ein metallisches Strangprofil als Kühlkörper zum Durchströmen mit einem Kühlmittel umfasst, und zumindest einen nicht metallischen Anschlusskörper, der im Inneren hohl ist, und einen Aufnahmebereich für das Strangpressprofil aufweist. Die Öffnung des Aufnahmebereichs ist dabei etwas größer als der Querschnitt des Strangpressprofils, wobei zudem eine Verbindungsschicht vorgesehen ist, die das Strangpressprofil an den Anschlusskörper anschließt und die eine mechanisch flexible Verbindung zwischen dem Strangpressprofil und dem Anschlusskörper bereitstellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Zwischenzellkühleinheit und eine Batterie bereitzustellen, die eine möglichst einfache und effiziente Ausbildung und Fertigung einer solchen Zwischenzellkühleinheit erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Zwischenzellkühleinheit und eine Batterie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Zwischenzellkühleinheit wird ein sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckender Kühlkörper bereitgestellt, der mindestens einen integrierten, von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal umfasst, und der in der Längserstreckungsrichtung durch ein erstes offenes Körperende begrenzt ist. Weiterhin wird am ersten offenen Körperende mittels eines Spritzgussverfahrens eine erste Anschlusseinheit derart angespritzt, dass diese mit einem ersten Innenraum ausgebildet wird, der fluidisch mit dem mindestens einen Kühlkanal verbunden ist, und dass diese mit einer in den ersten Innenraum mündenden ersten Anschlussöffnung ausgebildet wird.
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Der Kühlkörper kann damit vorteilhafterweise mit einer direkt an den Kühlkörper angespritzten ersten Anschlusseinheit ausgebildet werden. Damit ist vorteilhafterweise kein zusätzlicher Fügeprozess, wie Kleben oder Schweißen, nötig, um eine solche erste Anschlusseinheit am Kühlkörper zu befestigen, insbesondere abdichtend zu befestigen. Die erste Anschlusseinheit kann somit vorteilhafterweise gleichzeitig während ihrer Ausbildung und Fertigung als Spritzgussbauteil an den Kühlkörper gefügt werden. Da sich durch diesen Spritzgussprozess bereits eine sehr fluiddichte Anbindung zwischen der ersten Anschlusseinheit und dem Kühlkörper bereitstellen lässt, kann insgesamt auch der Abdichtungsaufwand zum Abdichten der Anschlusseinheit gegenüber dem Kühlkörper reduziert werden. Somit lässt sich eine Zwischenzellkühleinheit auf besonders einfache und gleichzeitig effiziente Weise bereitstellen.
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Der Kühlkörper ist dabei bevorzugt aus metallischem Material oder umfasst zumindest ein metallisches Material. Dadurch lässt sich eine besonders gute thermische Anbindung an eine mittels der Zwischenzellkühleinheit zu kühlenden Komponente bereitstellen, wie beispielsweise einer Batteriezelle. Die erste Anschlusseinheit umfasst vorzugsweise einen Kunststoff oder ist aus einem solchen Kunststoff gebildet. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung der Anschlusseinheit mittels des Spritzgussverfahrens. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste Anschlussöffnung zusammen mit dem ersten Innenraum eine Kavität beziehungsweise einen Hohlraum bildet, der sich in seiner Erstreckungsrichtung von der ersten Anschlussöffnung zum ersten Innenraum nicht verbreitert und zum Beispiel einen sich verjüngenden Querschnitt, oder bevorzugt einen konstanten Querschnitt aufweist. Dieser Hohlraum kann zum Beispiel quaderförmig ausgebildet sein. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die erste Anschlusseinheit durch einen Spritzgussprozess an den Kühlkörper zu fügen und dabei die letztendlich gefertigte Bauteilanordnung aus Kühlkörper und der angespritzten ersten Anschlusseinheit dem Spritzgusswerkzeug problemlos entnehmen zu können.
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Die erste Anschlussöffnung kann in diesem Fall zum Beispiel rechteckig sein. Nichts desto weniger sind aber auch andere Geometrien, zum Beispiel rund und/oder oval oder ähnliches denkbar.
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Der Kühlkörper ist zum Beispiel plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich in der Längserstreckungsrichtung. Insbesondere kann eine Länge des Kühlkörpers in der Längserstreckungsrichtung die größte Abmessung des Kühlkörpers sein. Beispielsweise kann der Kühlkörper eine rechteckprofilförmige Außenwand umfassen. Diese schließt einen Innenraum des Kühlkörpers ein, der vom Kühlmittel durchströmbar ist. Dieser Innenraum kann zum Beispiel den mindestens einen Kühlkanal darstellen. Optional kann der Innenraum auch in mehrere Kühlkanäle untergliedert sein, zum Beispiel durch mehrere im Innenraum des Kühlkörpers, insbesondere in der Längserstreckungsrichtung verlaufende Trennstege, die ebenfalls als Teil des Kühlkörpers aufgefasst werden können. Die Trennstege können zwei sich bezüglich einer bestimmten Richtung, z.B. der später näher definierten dritten Richtung, gegenüberliegenden Seitenwände des Kühlkörpers zueinander abstützen. Vorteilhaft ist es vor allem, wenn derartige Trennstege oder im Allgemeinen der mindestens eine Kühlkanal oder die optional mehreren Kühlkanäle in der Längserstreckungsrichtung geradlinig verlaufen. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, den Kühlkörper beispielsweise als Strangpressprofil zu fertigen.
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Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Kühlkörper als ein Strangpressprofil bereitgestellt ist bzw. wird. Dies hat den großen Vorteil einer sehr kostengünstigen und einfachen Fertigung des Kühlkörpers. Der Kühlkörper kann also als Strangpressprofil gefertigt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird beim Spritzgussverfahren ein Spritzgusswerkzeug mit einer eine Kavität bereitstellenden Spritzgussform und einem ziehbaren Werkzeugkern verwendet, wobei der Kühlkörper zumindest mit seinem ersten Körperende in die Spritzgussform eingelegt wird, und ein Spritzgussmaterial zur Ausbildung der ersten Anschlusseinheit in die Kavität eingefüllt wird, wobei sich der Werkzeugkern zur Ausbildung des ersten Innenraums und der ersten Anschlussöffnung während des Einfüllens des Spritzgussmaterials zumindest zum Teil in der Kavität befindet und nach dem Einfüllen, insbesondere nach dem Ausbilden der ersten Anschlusseinheit, entfernt wird. Der ziehbare Werkzeugkern fungiert sozusagen als Platzhalter zum Ausbilden des Innenraums und der Anschlussöffnung der ersten Anschlusseinheit. Der Werkzeugkern kann dabei gleichzeitig ein Eindringen des Spritzgussmaterials in das Innere des Kühlkörpers und damit in den mindestens einen Kühlkanal verhindern. Nachdem die erste Anschlusseinheit an das erste Körperende des Kühlkörpers angespritzt wurde und insbesondere ausgehärtet ist beziehungsweise ausreichend verfestigt ist, kann der Werkzeugkern auf einfache Weise wieder aus dem ersten Innenraum der Anschlusseinheit durch die erste Anschlussöffnung herausgezogen werden. Dadurch kann die erste Anschlusseinheit vorteilhafterweise mit einem fluidisch mit dem mindestens einen ersten Kühlkanal verbundenen ersten Innenraum und einer korrespondierenden in diesen mündende erste Anschlussöffnung ausgebildet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Werkzeugkern direkt angrenzend an das erste offene Körperende angeordnet, so dass der Werkzeugkern eine gesamte Öffnung des ersten Körperendes, die eine Öffnung des mindestens einen Kühlkanals darstellt oder umfasst oder mit dem mindestens einen Kühlkanal fluidisch verbunden ist, überdeckt und/oder verschließt, wobei ein Teil des Werkzeugkerns während des Einfüllens des Spritzgussmaterials aus der Kavität heraussteht oder bündig mit einer die Kavität begrenzenden Wandung abschließt. Durch den Werkzeugkern kann damit vorteilhafterweise ein Eindringen des Spritzgussmaterials in den mindestens einen Kühlkanal verhindert werden. Der Werkzeugkern kann dabei bündig an das erste offene Körperende angelegt werden. Der Werkzeugkern dringt dabei nicht in die Öffnung des offenen Körperendes ein. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die erste Anschlussöffnung nicht stirnseitig und damit fluchtend mit der Öffnung des Kühlkörpers auszubilden, sondern an einer anderen Seite des Kühlkörpers. An der Seite, an der die erste Anschlussöffnung gebildet werden soll, kann entsprechend der Werkzeugkern aus der Kavität herausstehen oder zumindest mit einer die Kavität begrenzenden Wandung bündig abschließen. Dadurch wird der Werkzeugkern nicht eingegossen und kann über die entstehende erste Anschlussöffnung nach dem Fertigen der ersten Anschlusseinheit wieder herausgezogen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird beim Anspritzen der ersten Anschlusseinheit ein außenseitiger, insbesondere geschlossen umlaufender, Randbereich des ersten Körperendes überspritzt.
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Dies hat den Vorteil, dass eine besonders stabile und vor allem dichte Verbindung der ersten Anschlusseinheit zum Kühlkörper hergestellt werden kann. Ausgehend vom ersten Körperende verläuft dieser Randbereich also ein Stück weit in beziehungsweise entgegen der Längserstreckungsrichtung des Kühlkörpers auf dessen Außenseite. Dieser Randbereich stellt also den Teil der Außenseite des Kühlkörpers dar, der unmittelbar an seine Stirnseite des ersten offenen Körperendes angrenzt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zwischenzellkühleinheit eine Länge in der Längserstreckungsrichtung auf, eine Höhe in einer zweiten Richtung, und eine Breite in einer dritten Richtung, wobei die Breite kleiner ist als die Länge und als die Höhe, und wobei die Zwischenzellkühleinheit eine erste Begrenzungsseite aufweist, die die Zwischenzellkühleinheit in der zweiten Richtung begrenzt, wobei die erste Anschlussöffnung in der ersten Begrenzungsseite ausgebildet wird.
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Die Längserstreckungsrichtung ist dabei bevorzugt senkrecht zur zweiten Richtung und zur dritten Richtung, und die zweite Richtung ist vorzugsweise senkrecht zur dritten Richtung. Außerdem kann die Länge größer sein als die Breite und die Höhe der Zwischenzellkühleinheit. Die Zwischenzellkühleinheit kann eine im Wesentlichen quaderförmige Geometrie aufweisen. Durch das Vorsehen der ersten Anschlussöffnung in der ersten Begrenzungsseite kann ein Anschluss zum Anschließen an diese erste Anschlussöffnung vorteilhafterweise nach oben oder nach unten aus einer entsprechenden Batterie herausgeführt werden beziehungsweise sein, und steht nicht stirnseitig von der Zwischenzellkühleinheit ab. Dadurch kann vor allem Bauraum in der Längserstreckungsrichtung gespart werden, und insbesondere kann hierdurch die Zwischenzellkühleinheit hinsichtlich ihrer Länge auch kürzer ausgestaltet werden. Die Anbindung an eine Kühlmittelzuführleitung und eine Kühlmittelabführleitung gestaltet sich hierdurch ebenfalls einfacher und bauraumsparender. Die Anschlussöffnung ist also nicht seitlich vorgesehen, sondern nach oben oder unten vorgesehen, was die Anbindung beim Aufbau der Gesamtbatterie an eine zentrale Kühlung deutlich erleichtert. Damit wird auch die Demontage einzelner Kühlungsprofile erleichtert, da diese dann einfach in oder entgegen der zweiten Richtung, die bezogen auf eine bevorzugte Einbaulage in einem Kraftfahrzeug parallel zur Fahrzeughochrichtung ausgerichtet sein kann, der Gesamtbatterie entnommen werden können. Für eine Demontage einer einzelnen Zwischenzellkühleinheit muss also nicht die gesamte Batterie, die diese umfasst, auseinandergebaut werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkörper ein am ersten Körperende bezüglich der Längserstreckungsrichtung gegenüberliegendes, zweites, offenes Körperende auf, an dem eine zweite Anschlusseinheit derart angespritzt wird, dass diese mit einem zweiten Innenraum ausgebildet wird, der fluidisch mit dem mindestens einen Kühlkanal verbunden ist, und mit einer in den zweiten Innenraum mündenden zweiten Anschlussöffnung ausgebildet wird, insbesondere wobei die zweite Anschlussöffnung in der ersten Begrenzungsseite ausgebildet wird.
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Damit kann vorteilhafterweise am gegenüberliegenden offenen Ende des Kühlkörpers ebenso eine entsprechende zweite Anschlusseinheit angespritzt werden. Diese kann genauso ausgebildet sein, wie zur ersten Anschlusseinheit bereits beschrieben und nachfolgend noch beschrieben. Das Anspritzen der zweiten Anschlusseinheit an den Kühlkörper kann dabei optional im gleichen Spritzgussprozess erfolgen, wie auch das Anspritzen der ersten Anschlusseinheit. Dies erlaubt eine besonders effiziente und schnelle Fertigung. Alternativ kann die zweite Anschlusseinheit auch in einem separaten Spritzgussprozess beziehungsweise Spritzgussschritt an den Kühlkörper angespritzt werden, zum Beispiel zeitlich vor oder nach dem Anspritzen der ersten Anschlusseinheit.
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Der ersten Begrenzungsseite der Zwischenzellkühleinheit kann bezüglich der zweiten Richtung einer zweite Begrenzungsseite gegenüberliegen. Denkbar ist dabei auch, dass die zweite Anschlussöffnung in der zweiten Begrenzungsseite ausgebildet wird. Sehr vorteilhaft ist es jedoch, wenn die erste und die zweite Anschlussöffnung in einer gleichen Begrenzungsseite der Zwischenzellkühleinheit ausgebildet werden, da dies den Anschluss an eine Kühlmittelzu- und -abführleitung erleichtert und Bauraum spart. Diese Kühlmittelleitungen können dann auf einer gleichen Seite der Batterie angeordnet sein bzw. die Kopplung mit solchen auf einer gleichen Seite der Batterie angeordneten Kühlmittelleitungen gestaltet sich einfacher.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Anbindungsbereich zwischen dem Kühlkörper und der an diesen angespritzten ersten Anschlusseinheit mittels einer Dichtsubstanz, die auch als Dichtstoff bezeichnet werden kann, abgedichtet. Dadurch kann die Dichtigkeit dieser Anbindungsstelle zusätzlich erhöht werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenzellkühleinheit in einer Batterie, insbesondere in einer Hochvolt-Batterie verwendet wird. Beispielsweise kann die Zwischenzellkühleinheit stirnseitig mit der ersten Anschlusseinheit in ein Bad mit flüssigem Dichtstoff getaucht werden, der dann aushärtet und so die Anbindungsstelle zusätzlich abdichtet. Dabei kann das Eintauchen dergestalt erfolgen, dass ein Eindringen des Dichtstoffs in das Innere, das heißt den Innenraum der ersten Anschlusseinheit, verhindert wird. Beispielsweise kann die erste Anschlussöffnung dabei abgedichtet und/oder verschlossen werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein solcher Dichtstoff auch mittels einer Formdüse angespritzt werden. Dies erlaubt ein zielgerichtetes Anbringen des Dichtstoffs im Anbindungsbereich zwischen der ersten Anschlusseinheit und dem Kühlkörper.
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In gleicher Weise kann auch die zweite Anschlusseinheit optional gegenüber dem Kühlkörper zusätzlich abgedichtet werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Zwischenzellkühleinheit für eine Batterie, wobei die Zwischenzellkühleinheit mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eine seiner Ausführungsformen hergestellt wurde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner Ausführungsformen kann zudem auch Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Batterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Zwischenzellkühleinheit oder einer ihrer Ausführungsformen.
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Die Batterie kann zum Beispiel als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Darüber hinaus umfasst die Batterie mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise mehrere Batteriezellen. Diese können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Insbesondere können die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. Die für die erfindungsgemäße Zwischenzellkühleinheit und ihre Ausführungsformen, sowie die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batterie.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batterie eine Zellriegeleinheit auf, die eine Zwischenzellkühleinheit und einen Zellriegel mit mehreren in einer zur Längserstreckungsrichtung der Zwischenzellkühleinheit korrespondierenden ersten Richtung nebeneinander angeordneten, prismatischen Batteriezellen aufweist, wobei der Zellriegel derart an der Zwischenzellkühleinheit angeordnet ist, dass jeweils eine der zwei flächenmäßig größten Zellseiten einer jeweiligen Batteriezelle der Zwischenzellkühleinheit zugewandt ist, insbesondere wobei die Batterie mehrere in der dritten Richtung nebeneinander angeordnete Zellriegeleinheiten umfasst.
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Durch diese Anordnung kann eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezellen bereitgestellt werden, da durch die Zwischenzellkühleinheit die flächenmäßig größten Seiten der Batteriezellen gekühlt werden können. Außerdem kann durch die beschriebene Anordnung ein besonders bauraumsparender und effizienter Aufbau bereitgestellt werden, denn einzelne Batteriezellen können in Form eines Zellriegels nebeneinander angeordnet werden. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine jeweilige Batteriezelle zwei Zellpole aufweist, die an denjenigen Zellseiten einer jeweiligen Batteriezelle angeordnet sind, die die betreffende Batteriezelle in und entgegen der ersten Richtung begrenzen. Die Zellpole können dabei auch als Zellterminals bezeichnet werden. Damit sind die Zellpole der Batteriezellen eines gleichen Zellriegels einander zugewandt. Dies erlaubt eine besonders einfache Verschaltung der Batteriezellen untereinander. Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft, wenn die Batterie beispielsweise aus mehreren solchen Zellriegeleinheiten aufgebaut wird. Es können also abwechselnd Zellriegel und Zwischenzellkühleinheiten in der dritten Richtung nebeneinander geschichtet werden. Die Zwischenzellkühleinheit und/oder die Zellriegel können dabei auch in einen Träger eingelegt sein beziehungsweise aufgenommen sein. Dieser ist bevorzugt so ausgestaltet, dass dennoch ein direkter flächiger Kontakt zwischen den flächenmäßig größten Zellseiten der Batteriezellen und den in und/oder entgegen der dritten Richtung angrenzenden Zwischenzellkühleinheiten möglich ist. Dadurch lässt sich eine besonders bauraumsparende Batterie mit einer besonders effizienten und effektiven Zellkühlung bereitstellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zwischenzellkühleinheit und der erfindungsgemäßen Batterie, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zwischenzellkühleinheit und der erfindungsgemäßen Batterie hier nicht noch einmal beschrieben. Umgekehrt ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zwischenzellkühleinheit und ihren Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale, sowie die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und ihren Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Zwischenzellkühleinheit und/oder einer Batterie durch weitere korrespondierende Verfahrensschritte.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische und perspektivische Explosionsdarstellung einer Batterie mit einer Zellriegeleinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Zwischenzellkühleinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Teils der Zwischenzellkühleinheit aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils der Zellriegeleinheit in einem Spritzgusswerkzeug während des Anspritzens einer Anschlusseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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Die dargestellten Koordinatensysteme sind insbesondere kartesische Koordinatensysteme. Die x-Richtung bezieht sich dabei auf die zuvor genannte Längserstreckungsrichtung, die auch als erste Richtung bezeichnet wurde, die y-Richtung bezieht sich auf die zuvor genannte dritte Richtung und die z-Richtung auf die zuvor genannte zweite Richtung. Bezogen auf eine bevorzugte Einbaulage in einem Kraftfahrzeug weist die z-Richtung z.B. in Fahrzeughochrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 10 mit einer Zellriegeleinheit 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zellriegeleinheit 12 ist dabei in einer Explosionsdarstellung dargestellt. Im Übrigen kann die Batterie 10 mehrere solcher Zellriegeleinheiten 12 umfassen, die in der dargestellten y-Richtung nebeneinander angeordnet sein können.
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Eine solche Zellriegeleinheit 12 weist einen Zellriegel 14 mit mehreren in der x-Richtung nebeneinander angeordneten prismatischen Batteriezellen 16 auf. Jede dieser Zellen 16 weist dabei zwei flächenmäßig größte Seiten auf, die vorliegend mit 16a bezeichnet sind. Diese Seiten 16a begrenzen eine jeweilige Zelle 16 in und entgegen y-Richtung. Außerdem weist jede Zelle 16 zwei weitere sich bezüglich der x-Richtung gegenüberliegende Zellseiten 16b auf, an denen pro Zelle 16 bevorzugt jeweils einer der Zellpole 18 der Zellen 16 angeordnet ist. Außerdem weist jede Zelle 16 noch eine entsprechende Ober- und Unterseite 16c auf, die sich entsprechend bezüglich der dargestellten z-Richtung gegenüberliegen. Wie in 1 zu sehen ist, sind die Zellen 16 zur Bildung eines solchen Zellriegels 14 also nicht mit ihren flächenmäßig größten Seiten 16a einander zugewandt nebeneinander angeordnet, sondern mit ihren Zellseiten 16b, an denen auch die Zellpole 18 angeordnet sind, also mit ihren Zellpolen 18 einander zugewandt.
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Weiterhin umfasst die Zellriegeleinheit 12 eine Zwischenzellkühleinheit 20. Diese weist eine Länge L in x-Richtung auf, die auch als Längserstreckungsrichtung x bezeichnet wird, eine Höhe H in z-Richtung und eine Breite B in y-Richtung. Die Breite B ist dabei kleiner als die Höhe H und diese ist vorzugsweise wiederum kleiner als die Länge L der Zwischenzellkühleinheit 20. Die Zwischenzellkühleinheit 20 weist zwei Kühlseiten 22 bzw. Kühlflächen 22 auf, die sich bezüglich der y-Richtung gegenüberliegen. Im zusammengebauten Zustand liegt eine solche Kühlfläche 22 direkt am Zellriegel 14 und zwar an den flächenmäßig größten Seiten 16a der Batteriezellen 16 an. Dadurch lässt sich eine besonders effiziente Kühlung der Zellen 16 bereitstellen. Um die Zellen 16 sowie die Zwischenzellkühleinheit 20 zueinander in Position zu halten und/oder zueinander zu fixieren und/oder mehrere Zellriegeleinheiten 12 zueinander zu fixieren kann zudem ein Träger 24, der auch als Halterahmen 24 bezeichnet werden kann, vorgesehen sein. In diesem können einerseits die Zellen 16 eingelegt und/oder eingeclipst werden, und andererseits die Zwischenzellkühleinheit 20. Insbesondere kann der Träger 24 z.B. dazu dienen bzw. ausgelegt sein, die Zellen 16 zueinander zu positionieren und deren Zellpole 18 in Form einer Reihenschaltung zueinander zu kontaktieren.
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Im Folgenden wird die Ausbildung der Zwischenzellkühleinheit 20 näher erläutert. Diese umfasst einen Kühlkörper 26. Dieser ist bevorzugt als Strangpressprofil 28 ausgeführt und umfasst mindestens einen oder auch mehrere integrierte Kühlkanäle 30 (vgl. 2).
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2 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung eines Beispiels einer solchen Zwischenzellkühleinheit 20. Der Bereich, in dem der mindestens eine oder die mehreren Kühlkanäle 30 innerhalb des Kühlkörpers 26 verlaufen, ist zur besseren Veranschaulichung gestrichelt dargestellt.
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3 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils der Zwischenzellkühleinheit 20 aus 2, insbesondere in einem perspektivischen Querschnitt, so dass in dieser Darstellung auch das Innere 32 des Kühlkörpers 26 mit dem in diesem Beispiel mehreren Kühlkanälen 30 zu sehen ist. Diese Kühlkanäle 30 können durch mehrere Zwischenstege 34 als Teil des Kühlkörpers 26 voneinander in z-Richtung separiert sein. Diese Zwischenstege 34 sind vorliegend nur gestrichelt dargestellt. Es kann auch der Innenraum 32 als Ganzes einen einzigen Kühlkanal 30 bilden.
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Der Kühlkörper 26 ist bevorzugt aus einem metallischen Material, zum Beispiel Aluminium, und weist daher eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit auf. Der Kühlkörper 26 weist zwei sich bezüglich der x-Richtung gegenüberliegende, stirnseitige, offene Körperenden 26a, 26b auf. An diesen Enden 26a, 26b ist jeweils eine Anschlusseinheit 36, 38 angeordnet. Diese können im Wesentlichen gleichartig ausgebildet sein und insbesondere an den Kühlkörper 26 gefügt sein, so dass im Folgenden nur eine solche Anschlusseinheit 36 exemplarisch beschrieben wird, sowie deren Ausbildung und Fertigung und Anbringung am Kühlkörper 26. Die Beschreibungen können jedoch ganz analog auch für die zweite Anschlusseinheit 38 gelten.
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Die erste Anschlusseinheit 36 ist bevorzugt aus einem Kunststoff oder umfasst zumindest einen Kunststoff. Außerdem weist die erste Anschlusseinheit 36 einen Innenraum 36a auf, der fluidisch mit dem Innenraum 32 beziehungsweise den Kühlkanälen 30 des Kühlkörpers 26 verbunden ist, sowie eine erste Anschlussöffnung 36b, die einerseits in den Innenraum 36a der ersten Anschlusseinheit 36 mündet und andererseits in die Umgebung 48. Analog kann auch die zweite Anschlusseinheit 38 einen zweiten Innenraum 38a und eine zweite Anschlussöffnung 38b umfassen.
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Der Kühlkörper 26 weist insbesondere einen in Längserstreckungsrichtung x invarianten Querschnitt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung x auf. Dies ist von Vorteil, da sich der Kühlkörper 26 so einfach als Strangpressprofil 28 fertigen lässt.
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Die Anschlussöffnung 36b befindet sich vorliegend an einer ersten Begrenzungsseite 20a der Zwischenzellkühleinheit 20, die die Zwischenzellkühleinheit 20 bezüglich der z-Richtung begrenzt. Alternativ kann die Öffnung 36b auch an der gegenüberliegenden Begrenzungsseite 20b der Zwischenzellkühleinheit 20 vorgesehen sein. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, eine Kühlmittelzuführleitung und/oder Kühlmittelabführleitung oberseitig oder unterseitig in Bezug auf die Zwischenzellkühleinheit 20 an dieser anzuschließen. Dies beansprucht gerade in beziehungsweise entgegen x-Richtung weniger Bauraum und die Anschlusseinheiten 36, 38 müssen nicht notwendigerweise bezüglich der x-Richtung über die Zellriegel 14 hinausstehen. Besonders vorteilhaft ist die oberseitige und/oder unterseitige Anordnung dieser Anschlussöffnungen 36b, 38b jedoch deshalb, da hierdurch eine besonders einfache Demontage einer einzelnen solchen Zwischenzellkühleinheit 20 aus einer Batterie 10 möglich wird, die beispielsweise dann einfach in z-Richtung der Batterie 10 entnommen werden kann, ohne dabei die komplette Batterie 10 oder das entsprechende Batteriemodul demontieren zu müssen.
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Besonders vorteilhaft ist es nun, dass diese Anschlusseinheit 36, und ebenso die zweite Anschlusseinheit 38, nicht in einem separaten Fertigungsprozess gefertigt und erst anschließend an den Kühlkörper 26 gefügt wird, sondern dass die Anschlusseinheit 36 in einem Spritzgussprozess ausgebildet wird und dabei gleichzeitig an den Kühlkörper 26 durch Anspritzen an diesen gefügt wird. Dadurch entsteht eine besonders dichte Verbindung zwischen der Anschlusseinheit 36 und dem Kühlkörper 26, und ein separater Fügeschritt kann entfallen. Dies ermöglicht also vorteilhafterweise eine besonders einfache und effiziente Fertigung einer solchen Zwischenzellkühleinheit.
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Im vorliegenden Beispiel ist die Anschlussöffnung 36b rechteckig ausgebildet. Die Anschlussöffnung 36b kann zum Beispiel als das Ende des quaderförmigen Innenraums 36a der Anschlusseinheit 36 aufgefasst werden. Dieser Innenraum 36a mit der Anschlussöffnung 36b lässt sich zum Beispiel im Spritzgussprozess durch einen ziehbaren Kern 40, insbesondere in diesem Beispiel einen quaderförmigen Kern 40 (vgl. 4) ausbilden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Zwischenzellkühleinheit 20 in einem Spritzgusswerkzeug 42 während des Anspritzens der ersten Anschlusseinheit 36 in einer schematischen Querschnittsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist insbesondere ein Querschnitt senkrecht zur z-Richtung durch die Zwischenzellkühleinheit 20 und das entsprechende Spritzgusswerkzeug 42.
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Für das Spritzgussverfahren wird also zum Beispiel ein Spritzgusswerkzeug 42 verwendet, welches zum einen eine Spritzgussform 44 aufweist, die vorliegend zweiteilig ausgeführt ist, und die die entsprechenden Formteile 44a, 44b umfasst. Diese Spritzgussform 44 stellt im geschlossenen Zustand eine Kavität 46 bereit, die während des Spritzgussvorgangs mit dem Spritzgussmaterial 36' befüllt wird, aus dem letztendlich die Anschlusseinheit 36 ausgebildet wird. Weiterhin umfasst das Werkzeug 42 den bereits erwähnten Werkzeugkern 40. Dieser befindet sich während des Einfüllens des Spritzgussmaterials 36' ebenfalls in der Kavität 46. Außerdem ist der Kühlkörper 26 mit seinem offenen Ende 26a im Spritzgusswerkzeug 42, insbesondere in der Form 44 angeordnet, insbesondere so, dass das Ende 26a in die Kavität 46 ragt. Vom Kühlkörper 26 sind hier insbesondere die in bezüglich der y-Richtung begrenzenden Kühlseiten 22 zu sehen. Angrenzend an den Kühlkörper 26 ist der quaderförmig ausgestaltete Kern 40 in der Kavität 46 positioniert, so dass dieser insbesondere an den Innenraum 32 des Kühlkörpers 26 direkt angrenzt, jedoch bezüglich der x-Richtung nicht in diesen eindringt. Der Kern 40 verhindert während des Spritzgussprozesses beispielsweise ein Eindringen des Spritzgussmaterials 36' in den Innenraum 32 des Kühlkörpers 26. Der Kern 40 befindet sich insbesondere an der Position, an welcher sich im hergestellten Zustand der ersten Anschlusseinheit 36 letztendlich der Innenraum 36a mit der Anschlussöffnung 36b befindet. Dazu kann der Kern 40 während des Spritzgussvorgangs in z-Richtung aus der Kavität 46 herausragen, um die Öffnung 36b zu bilden. Ist das Spritzgussmaterial 36' ausreichend ausgehärtet, so kann der Kern 40 in Zugrichtung Z aus der nunmehr angespritzten Anschlusseinheit 36 herausgezogen werden. Dadurch entsteht der fluidisch mit dem Innenraum 32 des Kühlkörpers 26 verbundene Innenraum 36a der ersten Anschlusseinheit 36, der über die Anschlussöffnung 36b in die Umgebung 48 (vgl. 2 und 3) mündet.
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Wie in 4 ebenfalls zu sehen ist, kann die Kavität 46 so ausgeformt sein, dass beim Anspritzen der Anschlusseinheit 36 ein außenseitiger, den Kühlkörper 26 geschlossen umlaufender Randbereich R des ersten Körperendes 26a überspritzt wird. Dieser Randbereich R grenzt also unmittelbar an die Stirnseiten 26a` des ersten Endes 26a des Kühlkörpers 26 an und stellt einen Teil der Außenseite 26c des Kühlkörpers 26 dar. Nach Entnahme der Zwischenzellkühleinheit 20 aus dem Spritzgusswerkzeug 42 ist in diesem Beispiel eine Anschlusseinheit 36, wie in 3 und 2 dargestellt, ausgebildet und an den Kühlkörper 26 angespritzt.
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Optional kann zur Erhöhung der Dichtigkeit dieses hergestellte Profil, das heißt die Zwischenzellkühleinheit 20, zusätzlich gedichtet werden. Hierzu kann die Zwischenzellkühleinheit 20 stirnseitig, zum Beispiel mit der ersten Anschlusseinheit 36, in ein Bad mit flüssigem Dichtstoff getaucht werden, welcher dann aushärtet, oder es könnte ein Dichtstoff mit einer Formdüse angespritzt werden, zum Beispiel im Anbindungsbereich zwischen der Anschlusseinheit 36 und dem Kühlkörper 26.
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Die zweite Anschlusseinheit 38 kann im Übrigen genauso ausgebildet werden, insbesondere sogar im gleichen Spritzgussprozess oder in einem vorausgegangenen oder nachfolgenden separaten Spritzgussprozess.
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Hierdurch ergibt sich eine sehr vorteilhafte und einfache Fertigung einer Zwischenzellkühleinrichtung 20, sowie einer diese umfassenden Batterie 10, wobei die vorteilhaften Fertigungsschritte wie folgt zusammengefasst werden können: Das Strangpressprofil 28 kann mit einem angespritzten Kühlverbinder 36, der auch Anschlusseinheit 36 genannt wird, ausgestattet werden. Es ist kein zusätzlicher Fügeprozess wie Kleben oder Schweißen nötig, wenn der Kühlungsverbinder 36 gleich mittels Spritzguss an das Strangpressprofil 28 angebunden wird. Außerdem kann der Anschluss 36b an die zentrale Kühlung so ausgestaltet sein, dass dieser sich nicht seitlich befindet, sondern oben am Kühlverbinder 36bangeordnet ist, was die Anbindung beim Aufbau der Gesamtbatterie 10 erheblich erleichtert. Damit wird auch die Demontage einzelner Kühlungsprofile, das heißt der Zwischenzellkühleinheiten 20, erleichtert, da diese ganz einfach in z-Richtung der Gesamtbatterie 10 entnommen werden können. Die gesamte Batterie 10 muss dafür nicht auseinandergebaut werden.
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Das Strangpressprofil 28, das den Kühlkörper 26 bereitstellt, kann z.B. zunächst auf die richtige Länge gefertigt werden. Dieses erstreckt sich in der Längserstreckungsrichtung x beispielsweise so weit wie der Zellriegel 14 oder optional auch etwas länger oder kürzer. Anschließend kann es in ein Spritzgusswerkzeug 42 eingelegt werden. Dieses Werkzeug 42 kann mit einem ziehbaren Kern 40 versehen sein. Der Kern 40 kann von oben in den Bereich des Kühlverbinders 36 beziehungsweise des noch herzustellenden Kühlverbinders 36 eingefahren werden, insbesondere automatisch. Dann erfolgt der Spritzguss. Dabei wird der Kunststoff 36' als Beispiel für das Spritzgussmaterial 36', fest mit dem Metall des Strangpressprofils 28 verbunden, was zu einer Dichtigkeit führt. Der Kern 40 formt dabei die hohle Struktur 36a im Inneren des Kühlungsverbinders 36 aus. Durch das Ziehen des Kerns 40 nach oben, das heißt in z-Richtung, bildet sich eine Öffnung 36b nach oben im Kühlungsverbinder 36. Nach der Fertigung können die Kühlungsprofile 20, das heißt die Zwischenzellkühleinheiten 20, dann einfach zwischen die Batteriezellen 16, insbesondere zwischen die Zellriegel 14, eingelegt werden und nach oben beziehungsweise unten mit der zentralen Kühlung verbunden werden, das heißt mit einer Kühlmittelzuführleitung und/oder Kühlmittelabführleitung. Eine Anbindung in Dickenrichtung ist nicht mehr notwendig.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein neues Batteriekonzept mit integraler zellnaher Kühlung und angespritztem Kühlungsverbinder, nämlich der Anschlusseinheit, bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2013 209 980 A1 [0003]
- DE 10 2016 125 859 A1 [0004]