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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein einen Kühlaufbau für Batteriezellen in einer Batteriepackung und insbesondere eine Kopplung einer Batteriezelle mit einem Kühlrahmen über integrale Befestigungsmerkmale, um gleichzeitig einen angemessenen Innenraum zwischen der Zelle und dem Rahmen während einer großvolumigen Batteriepackungsmontage zu unterstützen wie auch ein Fluid abzudichten, das in einen Raum eingeführt wird, der zwischen der Zelle und dem Kühlrahmen definiert ist, sobald die Batteriepackung zusammengebaut ist.
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Lithiumionenbatterien und verwandte Batterien, die gemeinsam als ein wieder aufladbares Energiespeichersystem (RESS von engl.: ”rechargeable energy storage system”) bekannt sind, werden in Kraftfahrzeug- und verwandten Transportanwendungen als ein Weg verwendet, in dem Fall von Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) herkömmliche Brennkraftmaschinen (ICEs) zu ergänzen oder in dem Fall reiner Elektrofahrzeuge (EVs) herkömmliche Brennkraftmaschinen (ICEs) zu ersetzen. Die Fähigkeit zur passiven Speicherung von Energie aus stationären und portablen Quellen wie auch von rückgewonnener kinetischer Energie, die durch das Fahrzeug und seine Komponenten bereitgestellt wird, macht solche Batterien ideal, als Teil eines Antriebssystems für Fahrzeuge, Lastwägen, Busse, Motorräder und verwandte Fahrzeugplattformen zu dienen. Bei einer Form, die für kraftfahrzeugtechnische Anwendungen geeignet ist, sind einzelne Batteriezellen (d. h. eine einzelne elektrochemische Einheit) als allgemein dünne rechtwinklige Elemente geformt. Der Fluss von elektrischem Strom zu und von den Zellen ist derart, dass, wenn mehrere solcher Zellen in größere Baugruppen kombiniert sind, der Strom oder die Spannung erhöht werden kann, um den gewünschten Leistungsausgang zu erzeugen. Im vorliegenden Kontext bestehen größere Modul- und Packungsbaugruppen aus einer oder mehreren Zellen, die in Reihe, parallel oder beidem verschaltet sind und zusätzlichen Aufbau aufweisen können, um einer korrekte Installation und einen korrekten Betrieb dieser Zellen sicherzustellen. Obwohl der Begriff ”Batteriepackung” hier dazu verwendet ist, eine im Wesentlichen vollständige Batteriebaugruppe zur Verwendung in Anwendungen für Antriebsleistung zu diskutieren, sei dem Fachmann zu verstehen, dass verwandte Begriffe – wie ”Batterieeinheit” oder dergleichen – ebenfalls dazu verwendet werden können, eine derartige Baugruppe zu beschreiben und dass jeder Begriff austauschbar ohne Bedeutungsverlust verwendet werden kann.
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Die Temperatur ist einer der signifikantesten Faktoren, die sowohl das Leistungsvermögen als auch die Lebensdauer einer Batterie beeinflussen, insbesondere diejenigen, die für Antriebsleistung für Fahrzeuganwendungen und verwandten Konfigurationen für Hochleistungsbedarf verwendet sind. Äußere Umweltbedingungen (wie diejenigen, die während verlängerter Perioden von Inaktivität in kalten oder heißen Umgebungen auftreten) stellen signifikante Faktoren dar, während von innen her die großen Mengen an elektrischer Energie und begleitender Wärmeerzeugung, die durch Batteriepackungen erzeugt wird, wie auch schädliche Bedingungen (wie die schnelle Ladung/Entladung oder interne/externe Kurzschlüsse, die durch physikalische Verformung, Eindringung oder Herstelldefekte der Zellen bewirkt sind) die Fähigkeit zum korrekten Betrieb der Batterie beeinträchtigen können. In extremen Formen in jedem Fall können solche Temperaturen die Batterie vollständig zerstören. Mit besonderem Bezug auf die längere Aussetzung zu hohen Temperaturen können Nebeneffekte eine vorzeitige Alterung und einen beschleunigten Leistungs- und Energieschwund aufweisen, die beide zusätzlich unerwünscht sind.
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Bei einer Form sind die einzelnen Zellen, die eine Batteriepackung bilden, als rechtwinklige (d. h. prismatische) Dosen konfiguriert, die ein starres Außengehäuse definieren, die als eine Zellenummantelung bekannt ist. Wie bei ihren ähnlich geformten Gegenstücken der prismatischen Beutelzelle können Zellen mit einer Gestaltung einer prismatischen Dose in einer zueinander weisenden Anordnung (wie ein Kartenstapel) entlang einer Stapelachse angeordnet sein, die durch die ausgerichteten parallelen plattenartigen Flächen gebildet ist. Positive und negative Anschlüsse, die an einem Rand an der Zellenummantelung außerhalb angeordnet sind, sind seitlich voneinander relativ zu der Stapelachse beabstandet und wirken als elektrische Kontakte zur Verbindung (beispielsweise über eine Sammelschiene) mit einer äußeren Last oder Schaltung. Innerhalb der Zellenummantelung sind zahlreiche einzelne abwechselnde positive und negative Elektroden voneinander entlang der Stapelrichtung beabstandet und werden durch nicht leitende Trenneinrichtungen bzw. Separatoren elektrisch isoliert gehalten. Leitungen von jeder der negativen Elektroden können gemeinsam innerhalb der Zellenummantelung genommen werden, um den negativen Anschluss zu speisen, während Leitungen von jeder der positiven Elektroden gleichermaßen gemeinsam genommen werden, um den positiven Anschluss zu speisen.
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Um eine Vermeidung des Aufbaus von übermäßiger Wärme zu unterstützen, können Kühlsysteme in die Batteriepackung integriert werden. Bei den oben beschriebenen Konfigurationen – bei denen die Batteriezellen in einer sich allgemein wiederholenden Weise gestapelt oder angeordnet sind – können derartige Kühlsysteme ein Mittel zum Einführen eines Kühlmediums zwischen einzelne Batteriezellen aufweisen. Der Betrieb derartiger Kühlsysteme kann durch die Ausdehnung und zugeordnete Kompressionswirkung der Batteriezellen in Ansprechen auf Temperaturzunahmen behindert werden, da sich die Größe von Kühlkanälen, die vorhanden sein können, während geringerer Packungstemperatur in Ansprechen auf eine einzelne Zellenexpansion tendenziell verringert (oder diese gänzlich abgeschnitten) werden. Um temperaturbezogene Probleme zu verhindern, können rahmenartige Elemente zum Halten, Montieren oder anderweitigen Befestigen benachbart gestapelte Batteriezellen verwendet werden, um die Kanäle oder den zugeordneten volumetrischen Raum, der zwischen diesen gebildet ist, beizubehalten. Somit sind diese Rahmen oftmals als kritisch bei der Beibehaltung der Abmessungskonsistenz und zugeordneten Dichtungsintegrität zwischen benachbarten Zellen in dem Bestreben anzusehen, die unbeabsichtigte Freisetzung des Kühlmediums zu verhindern, das in die Kanäle oder zugeordneten Zwischenvolumen eingeführt ist. Dennoch erfordern die Befestigung und Abdichtung, die mit der Kopplung der Rahmen an den Zellen in Verbindung steht, komplizierte Herstellprozesse. Insbesondere mit Zellenkonfiguration als prismatische Dose kann die Anordnung eines Kühlrahmens benachbart einer Batteriezelle sich gegenseitig ausschließende Interessen mit sich bringen. Beispielsweise behindert der Versuch, ein geeignet hohes Niveau an Dichtungsintegrität durch enge Abmessungstoleranzen sicherzustellen, Zusammenbau-Betriebsabläufe mit hoher Geschwindigkeit, während ein hoher Zusammenbau-Durchsatz größere Herstellertoleranzen zurücklässt, die ihrerseits zu Spalten zwischen der Zelle und dem Rahmen führen, die für den größten Teil der Kühlmittelverluste in der Packung verantwortlich sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme dadurch, dass ein Zwischenraum (d. h. Spalt) zwischen einem benachbarten Kühlrahmen und Celle während eines automatisierten Zusammenbaus mit hoher Geschwindigkeit zugelassen wird, während dieser Spalt geschlossen wird, sobald der Rahmen und die Zelle miteinander verbunden und in einem Batteriezellenkäfig oder einem verwandten Gehäuseaufbau angeordnet sind. Beispiele für einen derartigen automatisierten, mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Zusammenbau einzelner Zellen in Form einer prismatischen Dose bzw. prismatischer Dosenzellen in größere Module oder Packungsaufbauten können in einem Paar begleitender Patentanmeldungen gefunden werden, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören und hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind; diese sind die US-Anmeldung Nr. 13/835,858, die am 15. März 2013 eingereicht wurde und den Titel LARGE FORMAT CELL HANDLING FOR HIGH SPEED ASSEMBLY trägt, und die US-Anmeldung Nr. 13/972,224, die am 21. August 2013 eingereicht wurde und den Titel HORIZONTAL HIGH SPEED STACKING FOR BATTERIES WITH PRISMATIC CANS trägt. Die Kopplung der vorliegenden Erfindung ist dahingehend nützlich, dass sie vermeidet, exotisch geformte Kühlplatten oder quetschbare Komponenten zu verwenden, um eine Abdichtung der Luftströmung zu bewirken, und gleichermaßen die Reduzierung des Zwischenraumes zwischen jeder Zelle und dem Kühlrahmen auf eine Abmessung reduziert, die für routinemäßige Betriebsabläufe des Modulzusammenbaus zu klein ist.
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine modulare Konstruktion zum Anbringen einer oder mehrerer prismatischer Dosen-Batteriezellen in eine größere Batteriebaugruppe (wie ein Batteriemodul oder eine Batteriepackung) offenbart. In dem vorliegenden Kontext kann der Käfig oder das damit in Verbindung stehende Gehäuse einen offenen Kasten definieren, der aus zwei gegenüberliegenden Haltern entlang einer Achse und 2 gegenüberliegenden Endplatten entlang einer orthogonalen Achse besteht, die alle an einer Schale angeordnet oder in Verbindung mit einer Schale geformt sein können, um als ein modularer primärer Stützaufbau zu wirken. Ebenfalls bezugnehmend auf den vorliegenden Kontext wird die Batteriepackung als eine im Wesentlichen vollständige Baugruppe oder als ein im wesentlichen vollständiges System von Komponenten betrachtet, die zum Vortrieb des Fahrzeugs, für das die Packung ausgelegt wurde, notwendig sind, während Batteriemodule und einzelne Batteriezellen (wie oben erwähnt) als Nebenkomponenten betrachtet werden, die anschließend in die Packung oder ein anderes großes Teil des Gesamtsystems eingebaut werden. Gleichermaßen kann eine Baugruppe von Komponenten für eine Batteriepackung, die für Fahrzeuganwendungen verwendet ist, – zusätzlich zu zahlreichen Batteriezellen – Kühlplatten, Rahmen, Schalen, Sicherungsmechanismen und andere Ausstattung aufweisen, die, während sie nicht zu der Erzeugung elektrischer Leistung beiträgt, einen wichtigen Teil der gesamten Packung und Baugruppe des Batteriesystems bildet. Herkömmlich werden alle diese Komponenten auf eine solche Weise gemeinsam gestapelt und gefügt, das Gewicht, Kosten und Komplexität erhöht werden. Beispielsweise können die Rahmen allein in der Größe von 10% des Gesamtgewichtes der gesamten Batteriepackungsbaugruppe oder des gesamten Batteriepackungssystems liegen, während der Einschluss von Kühl- und Dichtungsfunktionen signifikant zu der Komplexität des Zusammenbaubetriebsablaufs beitragen kann.
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Es können zahlreiche prismatische Dosen-Batteriezellen entlang einer Stapelachse angeordnet werden, so dass eine entsprechende Mehrzahl von Kühlrahmen jeweils einander zugewandt zwischen einem benachbarten Paar von Zellen verteilt sein können, um eine Zellen-Rahmen-Baugruppe mit einem Kühlpfad zu definieren. Jeder Rahmen weist ein oder mehrere nachgiebig vorgespannte Dichtungselemente auf, so dass bei Bildung der Zellen-Rahmen-Baugruppe und anschließenden Platzierung in einem Gehäuse, das derart konfiguriert ist, die Zellen-Rahmen-Baugruppe aufzunehmen, das hervorragende distale Ende des Dichtungselementes (das in seinem normalen, nicht verformten Zustand weg aus einem Kontakt Eingriff mit der Zelle und daher außerhalb einer Auflagefläche, die durch die plattenartige Zelle definiert ist, vorgespannt ist) durch die Kraft der starren Gehauseinnenwände komprimiert ist. Eine gegenüberliegende Fläche der distalen Enden – aufgrund dessen, dass sie von dem Drehpunkt seiner auslegerartigen Fläche entfernt ist – bewegt sich dann in Kontakteingriff mit einer entsprechenden Fläche des Randes der Batteriezelle. Da diese Kontaktflächen allgemein einen linearen flachen Aufbau definieren, die entlang signifikanter jeweiliger Abschnittsteile in Berührung stehen, können sie eine Dichtfläche bilden, die es für die eingeführte Kühlluft erschwert, von dem Kühlpfad, der zwischen der gefügten Zelle und Rahmen geformt ist, zu entweichen.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Kühlrahmens in eine prismatische Dosen-Batteriezelle in einer Batteriepackung für Kraftfahrzeuge offenbart. Das Verfahren umfasst, dass der Rahmen mit einem oder mehreren nachgiebig vorgespannten Dichtungselementen, die daran geformt sind, versehen wird. Danach wird der Kühlrahmen benachbart der Zelle platziert, so dass sie eine Zellen-Rahmen-Baugruppe mit einem Kühlpfad dazwischen definieren. Anschließend wird die Zellen-Rahmen-Baugruppe in einem Gehäuse platziert, so dass das Dichtungselement – das in seinem natürlichen (d. h. nicht verformten) Zustand außerhalb einer Auflagefläche platziert ist, die von der Zelle definiert ist – durch die Kompressionswirkung einer Fläche des Gehäuses verformt wird. Diese Verformung des Dichtungselementes bewirkt, dass es in Kontakt mit einer benachbarten Fläche (beispielsweise einem Seitenrand) an der Zelle kommt, so dass ein Kontakteingriff gebildet wird. Aufgrund dessen, dass die in Eingriff stehenden Flächen im Wesentlichen flach und planar sind, definiert dieser Eingriff eine Dichtungsfläche für den Kühlpfad, der zwischen dem Rahmen der Baugruppe und der Zelle gebildet ist. Bedeutsamer Weise erlaubt dies eine Herstellung von Zellen-Rahmen-Baugruppen mit automatisierten Stapel- oder Fügetechniken mit hoher Geschwindigkeit, die sowohl große Herstellertoleranzen vor dem Zusammenbau als auch im Wesentlichen spaltfreie Kontaktflächen von Zelle zu Kühlrahmen nach dem Zusammenbau aufweisen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in welchen gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet ist, und in welchen:
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1 ein Fahrzeug mit einem Hybridantriebssystem in der Form einer Batteriepackung und einer Brenn Kraftmaschine zeigt;
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2 eine Explosionsansicht einer beispielhaften Batteriezelle und ihrer relativen Anordnung in einem Gehäuse zeigt, um eine Batteriepackungs- oder Modulbaugruppe zu definieren, die in Verbindung mit dem Kühlrahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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3 einen beispielhaften Kühlrahmen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 eine perspektivische Ansicht der Kopplung der Batteriezelle mit dem Rahmen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5A die vorgespannte Positionierung des Dichtungselementes des Rahmens aus dem Weg der Batteriezelle während der Anordnung der Zelle benachbart dem Rahmen zeigt;
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5B die vorgespannte Positionierung des Dichtungselementes des Rahmens in Eingriff mit der Batteriezelle zeigt, sobald die Zelle und der Rahmen miteinander zusammengebaut worden sind; und
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6 die Anordnung einer einzelnen Zelle und einer Kühlrahmenbaugruppe in einen Batteriekäfig zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst unter Bezugnahme auf 1 weist ein Fahrzeug 1 ein Hybridantriebssystem in der Form einer elektrischen Leistungsquelle auf, die aus einem herkömmlichen ICE 5 und einer Batteriepackung 10 besteht, die beide mit einem Elektromotor 15 zusammenarbeiten. Ein solches Fahrzeug ist als ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) bekannt. Es sei dem Fachmann angemerkt, dass das Fahrzeug 1 keinen ICE 5 zu erfordern braucht, wobei es in einem solchen Fall anstatt einem HEV vielmehr ein Elektrofahrzeug (EV) ist; wobei jede Form innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Weitere Antriebsstrangkomponenten (von denen keine gezeigt sind), die bei der Bereitstellung von Antriebsleistung zu einem oder mehreren der Räder nützlich sind und mit einem oder beiden aus der Batteriepackung 10 und dem ICE 5 gekoppelt sind, sind so zu verstehen, dass rotierende Wellen, Achsen, Getriebe, Steuerungen oder dergleichen umfasst sind. Während das Fahrzeug 1 gegenwärtig als ein Auto gezeigt ist, ist die Anwendbarkeit des Hybridantriebssystems auf andere solche Kraftfahrzeugformen (einschließlich Lastwagen, Bussen, Flugzeugen, Wasserfahrzeugen, Raumfahrzeugen und Motorrädern) als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung befindlich anzusehen.
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Als nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine repräsentative prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle (hierin auch als prismatische Dosenzelle, prismatische Zelle oder einfacher als Zelle bezeichnet) 100 gezeigt, sowie ihre fiktive Platzierung innerhalb einer Batteriepackung 10. Im Gegensatz zu Batteriezellenvarianten vom Beuteltyp (nicht dargestellt), die – obwohl sie eine im Allgemeinen flache, rechteckige stapelbare Form in einer Weise im allgemeinen ähnlich zu einer prismatischen Zelle besitzen – zahlreiche Zellen, die mit Kühlplatten und anderen Komponenten durchsetzt sind, sowie einen dünnen Umfangsrand und noch dünnere leitfähige Folienlaschen, die sich von dem Beutelrand erstreckten, besitzen, weist die prismatische Zelle 100 die Anode und die Kathode innerhalb eines geschweißten starren rechteckigen Metall-(beispielsweise Aluminium-)Behälters, -Ummantelung oder ähnlichem selbsttragenden Gehäuse auf. Während die Zelle 100 die Scale-up- und Konstruktionsflexibilität unterstützt, ist erhöhte Sorgfalt geboten, um eine gründlichere Dichtung und Ansätze zum thermischen Management zu fördern.
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Wie in einer Teilschnittansicht gezeigt ist, weist die fiktive Konstruktion der Zelle 100, die mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, positive und negative Anschlüsse 110, 120, die von ihrem oberen Rand vorstehen, zusammen mit einem Sicherheitsventil 130 auf. Innerhalb der starren Außenummantelung 140 der Zelle 100 sind zahlreiche positive und negative Elektroden 150, 160 und nicht leitfähige verteilte Separatoren 170 vorgesehen. Leitungen (in Form von Laschen 180, 190) von jeder der Elektroden 150, 160 sind zusammen innerhalb der Zellenummantelung 140 vorgesehen, um die jeweiligen Anschlüsse 110, 120 zu speisen.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Gruppe von zahlreichen einzelnen Zellen 100 – zusammen mit Endplatten 200 und dem oberen Teil 300, das eine Batterieschnittstelleneinheit 350 aufweist, die (unter anderem) eine Zellenüberwachungsschaltung oder dergleichen aufweist, sowie positiven und negativen Batterieanschlüssen 360, 370 auf Packungsebene – in beabstandete Halter 400 mit im wesentlichen planarer Basis 450 gestapelt, um einen kastenartigen Aufbau zu bilden. Der kombinierte Effekt der Halter 400 und der Endplatten 200 besteht darin, dass eine allgemein U-förmige durchlöcherte Ummantelung in der Form eines Käfigs 500, der in den kastenartigen Aufbau geformt ist, die Endplatten 200 und die gestapelten Zellen 100 unter Kompression hält. Im Allgemeinen sind die Zellen 100 in einer Beziehung von Fläche zu Fläche gestapelt, so dass ihre Ränder im Wesentlichen ausgerichtet sind, um eine allgemein rechteckige Form zu definieren. Die Unterbaugruppe von Zellen 100 und Endplatten 200 sind in den Raum abgesenkt, der durch den Käfig 500 definiert ist, so dass, sobald in Eingriff, die Ränder der Endplatten 200 in die Kanäle der Halter 400 gleiten. Im zusammengebauten Zustand definiert die Packung 10 alle sechs Seiten des kastenartigen Aufbaus, um eine Aufnahme und Abstützung für die zahlreichen einzelnen Batteriezellen 100, die ihrerseits von der Schale (nicht gezeigt) getragen sind, sowie andere Nebenanlagen-(BOP-)Ausrüstung im Fahrzeug 10 bereitzustellen. Bei einer Form neigen die leicht kompressiven Eigenschaften der Zellen 100 dazu, nach außen entlang der Stapelachse A gegen die Endplatten 200 zu drücken. Die Unterbaugruppe der Zellen 100 und die Endplatten werden dann in den Raum abgesenkt, der durch den Käfig 500 definiert ist, so dass, sobald in Eingriff, die Ränder der Endplatten 200 in gekräuselte oder angewinkelte Schlitze gleiten, die in den Haltern 400 geformt sind. Im zusammengebauten Zustand definiert der Käfig 500 (einschließlich des oberen Abschnitts 300) alle sechs Seiten des kastenartigen Aufbaus, um eine Aufnahme und Abstützung für die zahlreichen einzelnen Batteriezellen 100 bereitzustellen.
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Wie oben erwähnt ist, definieren die Zellen 100 eine starre, rechteckige (d. h. prismatische) Form, so dass sie leicht in einer zueinander weisenden benachbarten Beziehung entlang einer Stapelachse AA gestapelt sind. Sammelschienen (nicht gezeigt) können auf der Oberseite der einen oder mehreren Batteriepackungen 10 platziert sein, um eine elektrische Schaltung zwischen den positiven und negativen Batterieanschlüssen 360, 370 auf Packungsebene und einer geeigneten Last bereitzustellen (wie beispielsweise ein Elektromotor 15 für den Antrieb, sowie andere Systeme, die verwendet werden, um die Funktionalität des Fahrzeugs 10 bereitzustellen.
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Als nächstes Bezug nehmend auf die 3 und 4 ist ein beispielhafter Kühlrahmen 600 (3) und eine gefügte Baugruppe aus Zelle 100 und Rahmen 600 (4), wobei die gesamte Fläche der Zelle 100 in die durch den Kühlrahmen 600 definierte Fläche passt, gezeigt. Jeder Rahmen 600 weist vier auslegerartige Dichtungselemente 620 auf; eines an jeder Ecke. Jeder Rahmen definiert ferner zahlreiche allgemein rechteckige Öffnungen 610, damit Kühlluft, die über den Kühlpfad C entlang einer oder beider Seitenränder 615 eingeführt wird, eine direkte Fluidverbindung zwischen benachbarten Zellen-Rahmen-Baugruppen 700 ermöglichen kann, die in dem Gehäuse oder dem Käfig 500 angeordnet sind; diese direkte Wärmeverbindung fördert den direkten Kontakt zwischen der Luft und der benachbarten Flächen der Batteriezelle 100 an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 600, der (zusammen mit diesen Zellenflächen) verwendet wird, um das Zwischenzellenkühlvolumen zu definieren (nachfolgend auch als die volumetrische Kühlkammer oder Kühlkanal bezeichnet). Bei einer Form wird der Rahmen 600 aus einem thermisch und strukturell haltbaren Kunststoff oder Harz, wie Polypropylen, Polycarbonat, ABS, Nylon oder gemischten Kunststoffen wie NorylTM oder dergleichen, hergestellt.
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Während der Rahmen 600 im wesentlichen plattenförmig ist oder eine planare Form besitzt, helfen angehobene Abschnitte 617 entlang der Ränder 615, dem Rahmen 600 dreidimensionale Attribute zu verleihen, um die Einführung und Entfernung der Kühlluft entlang der Kühlstrecke C zu erleichtern. Die Struktur des Rahmens 600, die die verschiedenen Öffnungen 610 definiert, sieht eine Abstützung für die verschiedenen Zellen 100 entlang der Stapelachse A vor, so dass den Zellen 100 etwas Festes zum Dagegenpressen verliehen wird. Weiterhin können Rippen 619 an verschiedenen Stellen an dem Rahmen 600 definiert sein, um seine dreidimensionalen Eigenschaften weiter zu definieren, einschließlich seiner verbesserten Steifigkeit und daraus resultierenden Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Biegung oder ähnliche Verformung.
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Während eines herkömmlichen Prozesses zur Stapelung (oder Montage) bei hoher Geschwindigkeit kann eine prismatische Dosenzelle in zusammenwirkende Passung mit einem Kühlrahmen platziert werden. Aufgrund der Bautoleranzen und der Notwendigkeit, eine derartige automatisierte Hochgeschwindigkeitsmontage zu ermöglichen, bilden herkömmliche Rahmen einen sich seitlich erstreckenden Spalt zwischen dem nach außen weisenden Rand der Zelle und der entsprechenden, nach innen weisenden Fügefläche des Rahmens. Das Vorhandensein eines solchen Spalts bedeutet, dass ein Teil der Kühlluft nach oben entweicht, anstatt über seine vorgesehene Kühlstrecke und in den Volumenraum zwischen den Seiten der Zelle und dem angrenzenden Rahmen zu strömen. Unter Bezugnahme im Besonderen auf die 5A und 5B in Verbindung mit den 3 und 4 löst die vorliegende Erfindung dieses Problem von entweichender Kühlluft durch den Spalt G durch die Schwenkbewegung entlang des Bogens 622 der Dichtungselemente 620; dies erlaubt zusätzlichen Zwischenraum (5A) während der Zeitdauer, wenn die Zelle 100 in den Rahmen 600 eingeführt wird, während einwärts gerichtete Sperrnasen 623 nahe diesem Spalt G durch das Pressen der Sperrnase 623 gegen die allgemein planare äußere Randfläche 101 der Zelle 100 durch die Kompressionskraft bündig sind, die durch die Innenwand des relativ starren Käfigs 500 gebildet wird; wodurch der Entweichungsweg E abgeschnitten ist. Somit bleiben die Dichtungselemente 620 mit Sperrnasen 623 außerhalb des Pfads, der von der Zelle 100 längs der Stapelachse A während der Hochgeschwindigkeitsmontage genommen wird, können aber nach innen entlang des Bogens 622 bei der Installation der zusammengesetzten Anordnung aus Zelle 100 und Kühlrahmen 600 in die Seitenwände des Batteriekäfigs 500 (5B) gepresst werden.
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Als nächstes mit Bezug auf 6 ist eine einzelne Zellenrahmenbaugruppe 700 (bestehend aus der Zelle 100 und einem Paar von Kühlrahmen 600 an gegenüberliegenden Flächen der Zelle 100) innerhalb des U-förmigen Halters 400 platziert gezeigt, der den darunterliegenden Boden und die Seitenwände des Batteriekäfigs 500 bildet. Wie zu sehen ist, wird eine plattenartige Hauptfläche 102 der Batteriezelle 100 in zueinander weisendem Zusammenwirken mit einem Rahmen 600 platziert, um die sandwichartige Struktur der Zellen-Rahmen-Baugruppe 700 zu definieren. Wie man sehen kann, wird die normale nach außen geschwenkte Vorspannung der Dichtungselemente 620 durch Platzierung der Zellen-Rahmen-Baugruppe 700 in die relativ starren Grenzen der Seitenwände überwunden, die die Halter 400 bilden. Auf diese Weise kann die vormontierte Position der Dichtungselemente 620 und deren Rastnasen 623 während der Einführung der Zelle 100 zu dem Rahmen 600 um einen ausreichenden Betrag aus dem Weg bleiben, um ausreichend große Spalte G zu gewährleisten, die mit einer Hochgeschwindigkeitsmontage kompatibel sind, während sie bemessen, geformt und flexibel genug sind, um ein Schließen des Spalts G (und die begleitende Reduktion von Kühlmittelleckage) beim nachträglichen Einbau in den Käfig 500 zu unterstützen. Wie ferner zu sehen ist, sind die Größe und Form von sowohl der Zelle 100 als auch dem Rahmen 600 derart, dass, während beide ein im Allgemeinen rechteckiges Profil definieren, die Außenabmessung des Rahmens 600 geringfügig größer als die der Zelle 100 ist; bezeichnenderweise sind die Größe und die Form des Dichtungselements 620 des Rahmens 600 so, dass sich sein äußerster seitlicher Vorsprung – beim Einsetzen in den Halter 400 – gemeinsam mit dem Rest der Seitenwände des Rahmens 600 erstreckt. Ferner unterstützen die allgemein planaren komplementären Kontaktflächen zwischen den äußeren Seitenrändern der Zelle 100 und den benachbarten inneren Rändern des Rahmens 600 (sowie ähnliche planare Kontaktflächen zwischen einem Abschnitt der oberen und unteren Ränder der Zellen 100 und dem Teil der Dichtungselemente 620, die solche Abschnitte überlappen) den Kontakteingriff, um eine eng anliegende, sichere Passform des ersteren in die letztere zu gewährleisten, sobald sie in den Käfig 500 eingesetzt sind.
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typisch” hier nicht benutzt werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale entscheidend, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht. Darüber hinaus werden Begriffe wie ”im Wesentlichen ” hier dazu verwendet, den inhärenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder anderen Darstellung zu eigen sein kann. Er wird auch dazu verwendet, den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegeben Referenz abweichen kann, ohne dass eine Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes resultiert.
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Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung ist anzumerken, dass der Begriff ”Vorrichtung” hierin benutzt wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelnen Komponenten darzustellen, ungeachtet dessen, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Batterie oder ähnliche elektrische Energiequelle umfassen, die wiederum verwendet werden kann, um Antriebsleistung bereitzustellen. Eine Vorrichtung kann auch ein Fahrzeug betreffen, das die Quelle für Antriebsleistung oder andere Ausstattung einschließt, die das Fahrzeug oder die Quelle für Antriebsleistung ausmachen oder in Verbindung damit verwendet werden kann; die Beschaffenheit der Vorrichtung wird aus dem Kontext klar. Weiterhin sind Variationen der Begriffe ”Kraftfahrzeug”, ”kraftfahrzeugtechnisch”, ”Fahrzeug” oder dergleichen allgemein als generisch ausgelegt zu verstehen, sofern es im Kontext nicht anderweitig bestimmt ist. Als solches wird Bezug auf ein Kraftfahrzeug genommen, um PKW, LKW, Busse, Motorräder und andere ähnliche Verkehrsträger abzudecken, sofern es im Kontext nicht besonders angegeben ist. Ebenso kann die Erfindung in Verbindung mit Batteriezellen verwendet werden, die nicht in Zusammenhang mit Automobilanwendungen stehen, wo temperaturempfindliche Ausstattung zusätzlichen thermischen Schutz erfordern kann; solche zusätzlichen Konfigurationen sind als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung befindlich zu verstehen.
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Mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist in Betracht zu ziehen, dass, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft angegeben sind, es denkbar, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
